암모니아 대체 자연냉매를 이용하는 2단압축 1단팽창 냉동시스템의 성능예측 Performance Analysis of 2-Stage Compression and 1-Stage Expansion Refrigeration System using Alternative Natural Refrigerants원문보기
본 논문에서는 규제 프레온냉매 R22의 대체 자연냉매의 후보인 R290(프로판), R600(부탄), R717(암모니아), R1270(프로필렌)을 작동유체로 사용하는 2단압축 1단팽창 냉동시스템의 성능 특성을 비교하였다. $-20^{\circ}C{\sim}-50^{\circ}C$ 정도의 저온을 얻기 위해 사용되는 2단압축 1단팽창 냉동장치에서의 증발온도, 응축온도, 과열도 및 과냉각도의 변화에 따른 성능계수(COP) 변화를 규명하고자 하였다. 성능특성 규명 결과, 과냉각도 및 중간냉각기에서의 냉매유량 증가에 따라 시스템의 COP는 증가하였으나, 증발온도, 응축온도 및 과열도가 증가할수록 COP는 저하되는 결과를 나타내었다. 또한, 자연냉매를 사용하는 2단압축 1단팽창 냉동시스템의 COP는 규제 프레온냉매 R22를 사용하는 경우보다 높기 때문에 자연냉매를 사용하고자 하는 냉동시스템의 안전성이 확보되면 충분히 대체 냉매로서의 경쟁력이 있을 것으로 판단되었다.
본 논문에서는 규제 프레온냉매 R22의 대체 자연냉매의 후보인 R290(프로판), R600(부탄), R717(암모니아), R1270(프로필렌)을 작동유체로 사용하는 2단압축 1단팽창 냉동시스템의 성능 특성을 비교하였다. $-20^{\circ}C{\sim}-50^{\circ}C$ 정도의 저온을 얻기 위해 사용되는 2단압축 1단팽창 냉동장치에서의 증발온도, 응축온도, 과열도 및 과냉각도의 변화에 따른 성능계수(COP) 변화를 규명하고자 하였다. 성능특성 규명 결과, 과냉각도 및 중간냉각기에서의 냉매유량 증가에 따라 시스템의 COP는 증가하였으나, 증발온도, 응축온도 및 과열도가 증가할수록 COP는 저하되는 결과를 나타내었다. 또한, 자연냉매를 사용하는 2단압축 1단팽창 냉동시스템의 COP는 규제 프레온냉매 R22를 사용하는 경우보다 높기 때문에 자연냉매를 사용하고자 하는 냉동시스템의 안전성이 확보되면 충분히 대체 냉매로서의 경쟁력이 있을 것으로 판단되었다.
In this paper, alternative natural refrigerant R290(Propane), R600(Butane), R717(Ammonia), R1270(Propylene) for freon refrigerant R22 were used working fluids for 2-stage compression and 1-stage expansion refrigeration system. The operating parameters considered in this study included evaporation te...
In this paper, alternative natural refrigerant R290(Propane), R600(Butane), R717(Ammonia), R1270(Propylene) for freon refrigerant R22 were used working fluids for 2-stage compression and 1-stage expansion refrigeration system. The operating parameters considered in this study included evaporation temperature, condensation temperature, subcooling degree, superheating degree, mass flow rate ratio of inter-cooler. The main results were summarized as follows : The COP of 2-stage compression and 1-stage expansion refrigeration system increases with the increasing subcooling degree and mass flow rate ration of inter-cooler, but decreases with the increasing evaporating temperature, condensing temperature and superheating degree. Therefore, subcooling degree, mass flow rate ratio of inter-cooler of 2-stage compression and 1-stage expansion refrigeration system using natural refrigerants have an effect on COP of this system. The COP of natural refrigerants was higher than the COP of freon R22 in this study, so points to be considered are the security, the attached facilities for natural refrigerants than COP.
In this paper, alternative natural refrigerant R290(Propane), R600(Butane), R717(Ammonia), R1270(Propylene) for freon refrigerant R22 were used working fluids for 2-stage compression and 1-stage expansion refrigeration system. The operating parameters considered in this study included evaporation temperature, condensation temperature, subcooling degree, superheating degree, mass flow rate ratio of inter-cooler. The main results were summarized as follows : The COP of 2-stage compression and 1-stage expansion refrigeration system increases with the increasing subcooling degree and mass flow rate ration of inter-cooler, but decreases with the increasing evaporating temperature, condensing temperature and superheating degree. Therefore, subcooling degree, mass flow rate ratio of inter-cooler of 2-stage compression and 1-stage expansion refrigeration system using natural refrigerants have an effect on COP of this system. The COP of natural refrigerants was higher than the COP of freon R22 in this study, so points to be considered are the security, the attached facilities for natural refrigerants than COP.
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문제 정의
Table 2는 본 연구에서 일반적인 2단압축 1단팽창 냉동시스템의 운전조건을 고려한 계산 범위를 나타낸 것이다. Table 2와 같은 운전조건에서 자연냉매를 사용하는 2단압축 1단팽창 냉동시스템의 증발온도, 응축온도, 과열도, 과냉각도 및 중간냉각기에서의 냉매유량변화에 대한 성능변화를 규명하고자 하였다.
따라서, 본 논문에서는 지구환경에 무해한 자연 냉매[8] 중에서 현재 사용되고 있는 R717(암모니아) 및 대체 자연냉매후보인 R290(프로판), R600(부탄), R1270(프로필렌)을 이용하는 2단압축 1단팽창 냉동 시스템에서의 증발온도, 응축온도, 과열도, 과냉각도, 중간냉각기의 냉매유량 변화에 대한 냉동장치의 성능변화특성을 규명하여 이를 통해 자연냉매를 이용하는 2단압축 1단팽창 냉동시스템의 최적 설계를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
가설 설정
• 저단과 고단 시스템에서의 운동에너지와 위치에너지 변화는 없는 것으로 가정하였다.
• 저단측 및 고단측 압축기내 냉매는 단열압축과정이고, 저단측 및 고단측 압축기의 압축효율과 기계효율은 각각 0.8로 가정하였다.
본 논문에서 사용되는 자연냉매의 열역학적 물성치와 성능 분석은 EES[9] 소프트웨어를 이용하여 계산하였고, 2단압축 1단팽창 냉동시스템의 성능 분석을 위한 EES 계산 과정에서 다음과 같은 조건을 가정하였다.
성능/효과
(1) 2단압축 1단팽창 냉동시스템의 성능은 증발온도가 높을 수록, 응축온도가 낮을 수록 COP가 증가하고 있음을 알 수 있다. 또한, 실제 2단압축 1단팽창 냉동장치가 운전되는 온도범위에서의 R22 대체 자연냉매로서는 R600, R717이 유력한 것으로 고려할 수 있다.
(2) 자연냉매를 사용하는 2단압축 1단팽창 냉동시스템의 COP는 과열도 및 과냉각도의 영향을 크게 받지 않는 것으로 판단할 수 있다.
(3) 동일한 운전조건에서 2단압축 1단팽창 냉동시스템의 COP는 냉매종류에 상관없이 중간냉각기로 유입되는 냉매유량이 증가할 수록 크게 나타나고 있으나, 냉각열량의 큰 변화는 없는 것을 알 수 있었다. 따라서, 2단압축 1단팽창 냉동시스템의 실제 운전과정에서는 중간냉각기로 유입되는 냉매유량을 증가시키는 것이 COP 측면에서 유리할 것으로 고려된다.
이는 중간냉각기로 유입되는 냉매유량이 증가하게 되면 저단측 압축기로 흡입되는 냉매유량이 감소됨으로 인해 저단측 압축일량이 감소하기 때문으로 고려된다. 따라서, 2단압축 1단팽창 냉동시스템을 운전하는 과정에서 중간냉각기로 유입되는 냉매량을 증가시킬 수록 COP 측면에서 유리할 것으로 고려된다.
이는 COP 계산식에 있어서 냉각열량은 일정하나, 압축기 흡입압력 저하에 따른 냉매증기의 비체적 증가, 압축기 체적효율 저하 등에 따른 압축일량이 증가하기 때문이다. 따라서, COP 측면에서 증발온도를 높게 유지하는 것이 유리하나, 2단압축 1단팽창 냉동시스템이 적용되는 증발온도 -40 ~ -50 ℃ 영역에서는 R600 및 R717을 사용하는 것이 유리할 것으로 고려된다. 특히, COP뿐만 아니라 냉각열량을 기준으로 대체냉매를 선택하고자 하는 경우, 증발온도 -30 ℃ ~ - 50 ℃의 영역에서 R717의 냉각열량은 R22에 비해 약 6배정도의 냉각열량이 높기 때문에 R717을 선택하는 것이 경쟁력이 있을 것으로 기대된다.
또한, 그림에서 알 수 있는 바와 같이 R22의 대체 자연냉매로서는 COP 및 냉각열량 측면에서 R717이 가장 유리할 것으로 고려되며, 또한 R600의 경우에는 R22와 큰 차이가 없음을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
프레온냉매 R22의 대체품으로는 어떤 자연냉매가 있을까?
본 논문에서는 규제 프레온냉매 R22의 대체 자연냉매의 후보인 R290(프로판), R600(부탄), R717(암모니아), R1270(프로필렌)을 작동유체로 사용하는 2단압축 1단팽창 냉동시스템의 성능 특성을 비교하였다. $-20^{\circ}C{\sim}-50^{\circ}C$ 정도의 저온을 얻기 위해 사용되는 2단압축 1단팽창 냉동장치에서의 증발온도, 응축온도, 과열도 및 과냉각도의 변화에 따른 성능계수(COP) 변화를 규명하고자 하였다.
1단압축 냉동시스템의 단점을 보완하기 위한 냉동시스템은?
Fig. 1은 2단압축 1단팽창 냉동장치의 개략도를 나타낸 것이고, Fig. 2는 p-h 선도에 표시된 냉동사이클을 나타낸 것이다.
자연냉매에는 어떤것이 있고, 어째서 프레온계 냉매의 대체제로 쓰일수 있는가?
따라서, 이에 대한 대처방안으로서 프레온계 냉매가 개발되기 이전에 선박냉동 등의 냉동장치에서 냉매[1~2]로 널리 사용되던 자연냉매가 다시 주목을 받고 있다. 특히, 자연계에 존재하는 자연냉매로서 암모니아(R717), 탄화수소계(프로판, 부탄 등) 냉매, 이산화탄소(R747) 등은 지구환경에 대해 무해성이 검증되었으며, 이들 자연냉매를 냉동공조장치의 작동유체로 적용하기 위한 연구[4~8]도 활발히 진행되고 있다.
참고문헌 (9)
Bodinus, W. S.." The rise and fall of carbon dioxide systems". ASHRAE, pp. 29-34, (1999)
Donaldson, B. and Nagengast, B. " Heat and cold: mastering the great indoors". ASHRAE; (1994)
Kyoto protocol to the united nations framework convention on climate change, (2005)
Liao, S. and Jakobsen, A., " Optimal heat rejection pressure in transcritical carbon dioxide air conditioning and heat pump system", IIF-IIRSections B and E-Oslo, Norway-1998. pp. 301-310, (1998)
Neksa, P., Rekstad, H., Zakeri, G. R. and Schiefloe, P. A., " $CO_{2}$ heat pump water heater: characteristics, system design and experimental results", International Journal of refrigeration, Vol. 21, No. 3, pp.172-179, (1998)
Hwang, Y. and Reinhard, R., "Experimental Investigation of the $CO_{2}$ Refrigeration cycle", ASHRAE Transacitions: simpogia, pp. 1219-1227, (1999)
Brown, S. J., Yana-Motta, F. S. and Domanski, A. P., "Comparative analysis of an auto motive air conditioning systems operating with $CO_{2}$ and R134a", International Journal of refrigeration, 25, pp. 19-32, (2002)
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